Оценка эффективности использования конденсаторных устройств для компенсации реактивной мощности на промышленном предприятии

Содержание Введение

1. Потребители реактивной мощности

2. Способы снижения потребления реактивной мощности

2.1 Виды компенсации реактивной мощности

3. Способы и устройства компенсации реактивной мощности

4. Компенсация реактивной мощности в сети предприятия — расчет эффективности

5. Экономия электроэнергии Заключение Список использованной литературы Введение Реактивная мощность и энергия ухудшают показатели работы энергосистемы, то есть загрузка реактивными токами генераторов электростанций увеличивает расход топлива; увеличиваются потери в подводящих сетях и приемниках, увеличивается падение напряжения в сетях.

Реактивный ток дополнительно нагружает линии электропередачи, что приводит к увеличению сечений проводов и кабелей и соответственно к увеличению капитальных затрат на внешние и внутриплощадочные сети.

Компенсация реактивной мощности, в настоящее время, является немаловажным фактором позволяющим решить вопрос энергосбережения практически на любом предприятии.

По оценкам отечественных и ведущих зарубежных специалистов, доля энергоресурсов, и в частности электроэнергии занимает величину порядка 30−40% в стоимости продукции. Это достаточно веский аргумент, чтобы руководителю со всей серьезностью подойти к анализу и аудиту энергопотребления и выработке методики компенсации реактивной мощности. Компенсация реактивной мощности — вот ключ к решению вопроса энергосбережения.

1. Потребители реактивной мощности В последние годы наблюдается значительный рост производства и развитие инфраструктуры городов. В связи с этим увеличивается число и мощности электроприемников, использующихся на производствах в основных технологических и вспомогательных циклах, а объекты инфраструктуры применяют все большее количество осветительных аппаратов для рабочего освещения, рекламы и дизайна. Соответственно увеличивается потребляемая электрическая мощность. В зависимости от вида используемого оборудования нагрузка подразделяется на активную и реактивную (индуктивную и емкостную). Наиболее часто потребитель имеет дело со смешанными активно-индуктивными нагрузками. Соответственно, из электрической сети происходит потребление как активной, так и реактивной энергии. Активная энергия преобразуется в полезную — механическую, тепловую и пр. энергии. Реактивная же энергия не связана с выполнением полезной работы, а расходуется на создание электромагнитных полей в электродвигателях, трансформаторах, индукционных печах, сварочных трансформаторах, дросселях и осветительных приборах. Показателем потребления реактивной энергии (мощности) является коэффициент мощности сos. Он показывает соотношение активной мощности Р и полной мощности S, потребляемой электроприемниками из сети:

сosц = P / S

Значения коэффициента мощности нескомпенсированного оборудования приведены в табл. 1, а усредненные значения коэффициента мощности для систем электроснабжения различных предприятий — в табл. 2. В оптимальном режиме показатель должен стремиться к единице и соответствовать нормативным требованиям.

Таблица 1 — Значения коэффициента мощности нескомпенсированного оборудования приведены

Таблица 2 — Усредненные значения коэффициента мощности

Таким образом, видно, что при отсутствии компенсации реактивной мощности потребитель переплачивает за потребление реактивной энергии 30−40% общей стоимости.

Срок окупаемости конденсаторных установок можно оценить следующим образом:

T = З₁/(З₂ — З₃), (1.1)

где З₁ — стоимость конденсаторной установки, грн.;

З₂ — затраты на электроэнергию без компенсации, грн/мес.;

З₃ — затраты на электроэнергию при применении конденсаторных установок, грн./мес.

2. Способы снижения потребления реактивной мощности Реактивный ток дополнительно нагружает линии электропередачи, что требует увеличения сечений проводов и кабелей и соответственно увеличения капитальных затрат на внешние и внутриплощадочные сети. Реактивная мощность наряду с активной мощностью учитывается поставщиком электроэнергии, а следовательно, подлежит оплате по действующим тарифам, поэтому составляет значительную часть счета за электроэнергию.

Наиболее действенным и эффективным способом снижения потребляемой из сети реактивной мощности является применение установок компенсации реактивной мощности (конденсаторных установок).

Использование конденсаторных установок позволяет:

· разгрузить питающие линии электропередачи, трансформаторы и распределительные устройства

· снизить расходы на оплату электроэнергии

· при использовании определенного типа установок снизить уровень высших гармоник

· подавить сетевые помехи, снизить несимметрию фаз

· сделать распределительные сети более надежными и экономичными На практике коэффициент мощности после компенсации находится в пределах от 0,93 до 0,99.

Основные потребители реактивной мощности — асинхронные электродвигатели, которые потребляют 40% всей мощности совместно с бытовыми и собственными нуждами; электрические печи 8%; преобразователи 10%; трансформаторы всех ступеней трансформации 35%; линии электропередач 7%.

В электрических машинах переменный магнитный поток связан с обмотками. Вследствие этого в обмотках при протекании переменного тока индуктируются реактивные ЭДС, обуславливающие сдвиг по фазе (fi) между напряжением и током. Этот сдвиг по фазе обычно увеличивается, а cosц уменьшается при малой нагрузке. Например, если cosц двигателей переменного тока при полной нагрузке составляет 0,75−0,80, то при малой нагрузке он уменьшится до 0,20−0,40.

Малонагруженные трансформаторы также имеют низкий коэффициент мощности (cosц). Без компенсации реактивной мощности результирующий cosц энергетической системы будет низок и ток электрической нагрузки будет увеличиваться при одной и той же потребляемой из сети активной мощности. Соответственно при компенсации реактивной мощности (применении автоматических конденсаторных установок КРМ) ток, потребляемый из сети, снижается, в зависимости от cosц, на 30−50%, соответственно уменьшается нагрев токоведущих проводов и старение изоляции.

Кроме этого, реактивная мощность наряду с активной мощностью учитывается поставщиком электроэнергии, а следовательно, подлежит оплате по действующим тарифам, поэтому составляет значительную часть счета за электроэнергию.

2.1 Виды компенсации реактивной мощности Единичная компенсация — предпочтительна там, где:

· требуется компенсация мощных (свыше 20 кВт) потребителей

· потребляемая мощность постоянна в течение длительного времени Групповая компенсация — применяется для случая компенсации нескольких расположенных рядом и включаемых одновременно индуктивных нагрузок, подключенных к одному распределительному устройству и компенсируемых одной конденсаторной батареей.

Централизованная компенсация Для предприятий с изменяющейся потребностью в реактивной мощности постоянно включенные батареи конденсаторов не приемлемы, т. к. при этом может возникнуть режим недокомпенсации или перекомпенсации. В этом случае конденсаторная установка оснащается специализированным контроллером и коммутационно-защитной аппаратурой. При отклонении значения сosj от заданного значения контроллер подключает или отключает ступени конденсаторов. Преимущество централизованной компенсации заключается в следующем: включенная мощность конденсаторов соответствует потребляемой в конкретный момент времени реактивной мощности без перекомпенсации или недокомпенсации.

При выборе конденсаторной установки требуемая мощность конденсаторов может определяться как

Q _c = P * (tgц₁ — tgц₂),(2.1)

где tgц₁ — коэффициент мощности потребителя до установки компенсирующих устройств;

tgц₂ — коэффициент мощности после установки компенсирующих устройств (желаемый или задаваемый энергосистемой коэффициент).

P = E_w /T (2.2)

где E_w — показания счетчика активной энергии, кВт*ч;

E_q — показатель счетчика реактивной энергии, кВАр*ч;

T — период снятия показаний счетчиков электроэнергии, ч.

Технико-экономический эффект, ожидаемый в результате применения конденсаторных установок, представлен в табл. 1.

По оценкам отечественных специалистов доля электроэнергии составляет 30−40% в стоимости продукции. Поэтому энергосбережение является весьма существенным фактором в экономии ресурсов и достижении конкурентного преимущества.

Таблица 1

Одним из направлений по энергосбережению является снижение реактивной мощности (увеличение cosц), т.к. реактивная мощность приводит к росту потерь электроэнергии. При отсутствии устройств компенсации реактивной мощности, потери могут составить от 10 до 50% от среднего потребления.

Отметим, что при низких значениях cosц (0.3−0.5), трехфазные счетчики дают погрешность показаний до 15%. Потребитель будет переплачивать из-за неверных показаний счетчика, роста электропотребления, штрафов за низкий cosц.

Реактивная мощность приводит к снижению качества электроэнергии, перекосам фаз, высокочастотным гармоникам, тепловым потерям, перегрузкам генераторов, броскам по частоте и амплитуде. Нормы качества электроэнергии определяет ГОСТ 13 109–97.

Указанные недостатки, т. е. плохое качество электроэнергии, приводят к большим экономическим потерям. Например, в Америке в конце 90-х годов проводились исследования, которые оценили ущерб от низкого качества электроэнергии в 150 миллиардов долларов в год.

У нас в стране своя статистика. Работа микропроцессорной техники, медицинского оборудования, систем телекоммуникаций часто прерываются короткими по продолжительности (несколько миллисекунд) провалами или перегрузками по питающему напряжению, которые происходят 20−40 раз в год, но ведут к дорогостоящему экономическому ущербу.

Прямой или косвенный ущерб достигает при этом несколько миллионов долларов в год. По статистике полное исчезновение напряжения составляет всего 10% от общего количества неисправностей, отключения продолжительностью более 1−3 секунды происходят в 2−3 раза реже отключений длительностью менее 1 секунды. Способы борьбы с кратковременными перебоями работы электросети гораздо более сложные и дорогостоящие.

3. Способы и устройства компенсации реактивной мощности Так как реактивные нагрузки в большей мере имеют индуктивный характер, то для их компенсации используются конденсаторные установки. Если нагрузка имеет емкостной характер, для компенсации используют индуктивности (дроссели и реакторы).

В более сложных случаях используют автоматизированные фильтрокомпенсирующие конденсаторные установки. Они позволяют избавить сети от высокочастотных гармонических составляющих, повысить помехоустойчивость оборудования.

Установки для компенсации реактивной мощности делятся по степени управления делятся на регулируемые и нерегулируемые. Нерегулируемые проще и дешевле, но учитывая изменение cosц от степени нагрузки, они могут вызвать перекомпенсацию, т. е. они неоптимальные с точки зрения максимального повышения cosц.

Регулируемые установки хороши тем, что отслеживают изменение в электросети в динамическом режиме. С их помощью можно поднять cosц до значений 0.97−0.98. Кроме того, происходит мониторинг, запись и индикация текущих показаний. Это позволяет далее использовать эти данные для анализа.

Примером реализации управляемых и неуправляемых конденсаторных установок на мощность от 10 до 400 кВар, может быть продукция фирмы «Нюкон», «Матикэлектро» до 2000 кВар, «ДИАЛ-Электролюкс» и другие.

4. Компенсация реактивной мощности в сети предприятия — расчет эффективности Приемники и преобразователи электроэнергии, имеющие в конструкции обмотки (электродвигатели, трансформаторы и др.), потребляют не только активную мощность, но и реактивную. При передаче по элементам системы электроснабжения реактивной мощности (РМ), объективно необходимой для преобразования электроэнергии, в них возникают потери активной мощности, за которые расплачивается предприятие-потребитель. Альтернативой дополнительной плате за электроэнергию является установка в сети предприятия источников реактивной мощности (ИРМ).

Компенсация реактивной мощности в сети потребителя позволяет:

· снизить плату поставщику за потребленную электроэнергию;

· уменьшить токовые нагрузки элементов системы электроснабжения (кабельных и воздушных линий, трансформаторов), обеспечив возможность расширения производства;

· улучшить качество электроэнергии за счет уменьшения отклонений напряжения от номинального значения.

Cинхронные электродвигатели для компенсации реактивных нагрузок.

На большинстве промышленных предприятий компенсация реактивных нагрузок может осуществляться за счет перевозбуждения имеющихся синхронных электродвигателей (СД) напряжением 6−10 кВ или путем размещения в сети конденсаторных установок высокого (ВКБ) и низкого (НКБ) напряжения.

Зависимость стоимости годовых потерь электроэнергии в СД З_с, вызванных генерацией ими РМ Q_с, является квадратичной функцией:

З_С = З_1с * Q _с + З_2с * Q _с2, грн./кВт.год, (4.1)

где З_1с и З_2с — коэффициенты, определяемые параметрами СД и стоимостью электроэнергии.

Потери электроэнергии в СД, обусловленные генерацией ими РМ, минимальны при работе двигателей с небольшим потреблением РМ. Рост выработки РМ сопровождается резким ростом потерь электроэнергии, греющих прежде всего ротор СД. Исследования показывают, что использование низковольтных СД любой мощности, а также высоковольтных СД мощностью ниже 1600 кВт неэкономично. Следует заметить, что даже при избыточной РМ мощных высоковольтных СД и генераторов собственных станций, позволяющей соблюсти договорные параметры с поставщиком электроэнергии, предприятие не застраховано от неоправданных потерь последней. Замечание характерно для нефтехимических предприятий, обладающих протяженными сетями напряжением 6 кВ и большим числом маломощных понижающих трансформаторов 6/0,4 кВ.

Конденсаторные установки для компенсации реактивных нагрузок.

Конденсаторные установки — более распространенный источник РМ. Мощность конденсатора пропорциональна его емкости и квадрату напряжения, поэтому удельная стоимость ВКБ оказывается примерно вдвое меньшей, чем НКБ. Однако постоянная составляющая затрат для ВКБ оказывается выше за счет большей стоимости подключения к сети. Это обуславливает наличие экономических интервалов применения ВКБ и НКБ.

Рис. 1 — Эффективность использования конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности

Затраты на генерацию РМ Q с помощью ВКБ З_В и НКБ З_Н являются линейной функцией мощности:

З_В = З_0В + З_1В * Q_В;З_Н = З_0Н + З_1Н * Q_Н,

где З_0В и З_0Н — постоянные составляющие затрат, зависящие от стоимости подключения КБ и устройств регулирования мощности, руб./год;

З_1В и З_1Н — удельные затраты на КБ, зависящие от стоимости КБ, потерь активной мощности в них и от напряжения в узле подключения, грн./квар*год.

Из рис. 1 следует, что при необходимости компенсации РМ величиной до Q_ВН следует отдавать предпочтение НКБ, при больших значениях — ВКБ.

В варианте с ВКБ необходимо учитывать затраты, обусловленные дополнительными потерями электроэнергии, вызванными передачей РМ Q_В через трансформатор и линию. Функция данных затрат имеет квадратичный характер и зависит от активных сопротивлений трансформатора и линии. Дополнительные затраты увеличивают стоимость варианта с ВКБ (пунктир на рис. 1) и соответственно значение Q_ВН.

Рис. 2 — Подключение конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности

В целом задача выбора оптимального варианта размещения ИРМ в сети промышленного предприятия достаточно сложна, и результат ее решения определяется конкретным набором технико-экономических параметров сети и ИРМ, а также стоимостью электроэнергии.

5. Экономия электроэнергии

конденсаторный реактивный мощность электроэнергия

Экономию электроэнергии и срок окупаемости при применении конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности можно рассчитать.

Приближенную оценку значений годовой экономии электроэнергии ДЭ от установки ИРМ мощностью Q_КУ и срока его окупаемости Т_ОК можно получить, используя так называемый экономический эквивалент РМ К, который ориентировочно равен 0,02 при питании генераторным напряжением, а также 0,05, 0,08 или 0,12 при питании через одну, две или три ступени трансформации, соответственно:

ДЭ = К * Q_КУ * T, кВт*ч/год, (5.1)

Т_ОК = К_КУ /(Сср * ДЭ), лет, (5.2)

Где К_КУ — стоимость конденсаторной установки в грн.;

Сср — для одноставочного тарифа принимается равным c.

Более точные значения ДЭ и Т_ОК можно получить при наличии параметров сети выше точки подключения ИРМ и суточных графиков реактивных нагрузок.

Срок окупаемости, полученный по выражениям (5.1) и (5.2), можно считать оптимистичным. Применение регулируемых ИРМ не только снижает неоправданные потери электроэнергии за счет устранения перекомпенсации реактивных нагрузок в сети, но и способствует экономичному режиму работы электроприемников.

Местное регулирование напряжения с помощью ИРМ оказывается эффективным только для НКБ, включаемых за большим индуктивным сопротивлением понижающих трансформаторов. Так, для изменения напряжения на один процент от номинального значения необходимо за трансформатором 1000 кВ· А изменить РМ на 180 квар, за трансформатором 1600 кВ· А — 240 квар, за кабельной линией 0,38 кВ длиной 100 м — 240 квар, за кабельной линией 10 кВ длиной 1000 м — 12 500 квар.

Параметры регулируемой НКБ — количество и мощность ступеней регулирования, мощность нерегулируемой части — определяются суточным графиком потребления РМ.

Таким образом, приведенные инженерные методики помогут энергетикам предприятий оценить в первом приближении эффективность одного из самых распространенных энергосберегающих мероприятий — компенсации реактивной мощности.

Заключение

Компенсация реактивной мощности — самый эффективный способ энергосбережения на промышленных предприятиях. Срок окупаемости конденсаторных установок от 6 месяцев до двух лет. Применение конденсаторных установок производства снижает потребление активной энергии в среднем на 10% и исключает платежи за реактивную энергию. Правильный выбор мощности конденсаторных установок и их характеристик обеспечивает благоприятный режим эксплуатации электроустановок предприятия:

· Токовая нагрузка на токоведущие части и коммутационную аппаратуру (выключатели автоматические, контакторы) снижается на 20−60%

· Снижаются потери на проводниках за счет уменьшения их нагрева.

· Увеличивается срок службы проводов и кабелей

· Высвобождается трансформаторная мощность, увеличивается срок службы трансформаторного масла

· Возрастает качество напряжения у электроприемников, как следствие улучшается освещенность на рабочих местах, увеличивается производительность оборудования, улучшается качество изделий

· Уменьшается уровень гармоник в сети

1) Рогалёв Н. Д. Энергетический бизнес: учебное пособие/ М.: «Дело», 2006. 600 с.

2) Самсонов В. С., Вяткин М. А. Экономика предприятий энергетического комплекса: Учеб. для вузов / М.: Высш. шк., 2001. 416

3) Экономика промышленности: Учеб. пособие для вузов. В 3-х т. Т. 2. Экономика и управление энергообъектами. Кн. 1. Общие вопросы экономики и управления / А. И. Барановский, Н. Н. Кожевников, Н. В. Пирадова и др.; Под ред. А. И. Барановского, Н. Н. Кожевникова, Н. В. Пирадовой. М.: Издательство МЭИ, 1998. 296 с.

4) Энергетика в России и в мире: Проблемы и перспективы. М.: МЛИК «Наука / Интерпериодика», 2001. 136 с.

5) http://www.me-press.kiev.ua/- Ценообразование на электрическую и тепловую энергию

6) Коршунова Л. А., Кузьмина Н. Г. Экономика энергетических предприятий: учебное пособие. — Томск: Изд-во ТПУ, 2006.

7) http://kurs.ido.tpu.ru/courses/man_in_energy/module₆.htmВиды себестоимости и классификция производственных затрат

8) www.matic.ru — Матик электро

9) electricalschool. infoШкола для электрика

10) Л.Д.гительман — Энергетический бизнес, М., изд. Дело, 2006